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10.1 组合逻辑设计

10.1 组合逻辑设计. 10.2 微程序设计. 10.1 组合逻辑设计. n 位操作码. …. 0. 1. 2 n - 1. T 0. 节拍发生器. T 1. CLK. CU. 标志. …. …. （机器主频）. T n. C 0. C 1. C n. 一、组合逻辑控制单元框图. 1 . CU 外特性. IR. 操作码译码. 时钟周期. T 0. T 1. T 2. T 3. T 0. T 1. T 2. T 3. 机器周期. 机器周期. 2 .节拍信号. CLK. T 0. T 1. T 2.

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10.1 组合逻辑设计

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Presentation Transcript

  1. 10.1 组合逻辑设计 10.2 微程序设计

  2. 10.1 组合逻辑设计 n位操作码 … 0 1 2n-1 T0 节拍发生器 T1 CLK CU 标志 … … （机器主频） Tn C0 C1 Cn 一、组合逻辑控制单元框图 1. CU 外特性 IR 操作码译码

  3. 时钟周期 T0 T1 T2 T3 T0 T1 T2 T3 机器周期 机器周期 2.节拍信号 CLK T0 T1 T2 T3

  4. C2 M D R C11 C12 AC C9 C3 C10 C5 PC IR C6 C8 C7 控制 信号 ALU C0 C4 … C1 M A R CU 标志 … … 时钟 控制信号 二.微操作的节拍安排 采用 同步控制方式 一个 机器周期内有 3 个节拍（时钟周期） CPU内部结构采用非总线方式

  5. 1. 安排微操作时序的原则 原则一 微操作的 先后顺序不得随意 更改 原则二 被控对象不同的微操作 尽量安排在 一个节拍内完成 原则三 占用 时间较短的微操作 尽量 安排在 一个节拍内完成 并允许有先后顺序

  6. PC MAR 1 R M ( MAR ) MDR ( PC ) + 1 PC MDR IR OP ( IR ) ID Ad ( IR ) MAR 1 R M ( MAR ) MDR MDR Ad（IR） 2. 取指周期 微操作的 节拍安排 T0 原则二 T1 原则二 T2 原则三 3. 间址周期 微操作的 节拍安排 T0 T1 T2

  7. 0 AC AC AC L ( AC )R ( AC ) AC0 AC0 4. 执行周期 微操作的 节拍安排 ① CLA T0 T1 T2 ② COM T0 T1 T2 ③ SHR T0 T1 T2

  8. AC0 ACn R ( AC )L ( AC ) 0G Ad ( IR ) MAR 1 R M ( MAR ) MDR ( AC ) + ( MDR ) AC Ad ( IR ) MAR 1 W AC MDR MDR M ( MAR ) ④ CSL T0 T1 T2 ⑤ STP T0 T1 T2 ⑥ ADD X T0 T1 T2 ⑦ STA X T0 T1 T2

  9. 1 R Ad ( IR ) MAR M ( MAR ) MDR MDR AC Ad ( IR ) PC A0 • Ad ( IR ) + A0•PC PC ⑧ LDA X T0 T1 T2 ⑨ JMP X T0 T1 T2 ⑩ BAN X T0 T1 T2

  10. 1 W 0 MAR PC MDR MDR M ( MAR ) 向量地址 PC 5. 中断周期 微操作的 节拍安排 硬件关中断 T0 T1 T2 中断隐指令完成

  11. PC MAR 1 R M(MAR) MDR ( PC ) +1 PC MDR IR OP( IR ) ID 1 IND 1 EX I 三、组合逻辑设计步骤 1. 列出操作时间表 工作周期标记 节拍 状态条件 微操作命令信号 CLA COM ADD SAT LDA JMP FE 取指 T0 T1 T2 I 间址特征

  12. 工作周期标记 节拍 状态条件 微操作命令信号 CLA COM ADD SAT LDA JMP Ad (IR) MAR 1 R M(MAR) MDR IND MDR Ad (IR) 1 EX 三、组合逻辑设计步骤 1. 列出操作时间表 IND 间址 T0 T1 T2 间址周期标志

  13. 工作周期标记 节拍 状态条件 微操作命令信号 CLA COM ADD SAT LDA JMP Ad (IR) MAR 1 R 1 W M(MAR) MDR AC MDR (AC)+(MDR) AC MDR M(MAR) MDR AC 0 AC 三、组合逻辑设计步骤 1. 列出操作时间表 EX 执行 T0 T1 T2

  14. 工作周期标记 节拍 状态条件 微操作命令信号 CLA COM ADD SAT LDA JMP FE 取指 T0 PC MAR 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 R T1 M(MAR) MDR ( PC ) +1 PC T2 MDR IR OP( IR ) ID I 1 IND 1 EX I 三、组合逻辑设计步骤 1. 列出操作时间表 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1

  15. 工作周期标记 节拍 状态条件 微操作命令信号 CLA COM ADD SAT LDA JMP IND 间址 T0 Ad (IR) MAR 1 R 1 1 1 1 T1 T2 M(MAR) MDR 1 1 1 1 1 1 1 1 IND 1 1 1 1 MDR Ad (IR) 1 EX 三、组合逻辑设计步骤 1. 列出操作时间表 1 1 1 1

  16. 工作周期标记 节拍 状态条件 微操作命令信号 CLA COM ADD SAT LDA JMP EX 执行 Ad (IR) MAR T0 1 W 1 R M(MAR) MDR T1 AC MDR T2 (AC)+(MDR) AC MDR M(MAR) MDR AC 0 AC 三、组合逻辑设计步骤 1. 列出操作时间表 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1

  17. M ( MAR ) MDR 2. 写出微操作命令的最简表达式 = FE· T1 + IND ·T1 ( ADD + STA + LDA + JMP + BAN ) + EX ·T1 ( ADD +LDA ) = T1{ FE + IND ( ADD + STA + LDA + JMP + BAN ) + EX ( ADD +LDA ) }

  18. & & & & 1 & & & ≥ M ( MAR) MDR & 1 & & 3. 画出逻辑图 FE T1 JMP BAN IND STA LDA ADD EX • 思路清晰 简单明了 特点 • 庞杂 调试困难 修改困难 （RISC） • 速度快

  19. 10.2 微程序设计 微指令 1 微程序 一、微程序设计思想的产生 1951 英国剑桥大学教授 Wilkes 微操作命令 1 微操作命令 2 完成 一条机器指令 10100000 …… …… 微操作命令 n 微指令 n 00010010 存入 ROM 一条机器指令对应一个微程序 存储逻辑

  20. 取指周期微程序 间址周期微程序 中断周期微程序 对应 LDA 操作的微程序 对应 STA 操作的微程序 二、微程序控制单元框图及工作原理 M 1. 机器指令对应的微程序 M+1 M+2 P P+1 P+2 K K+1 K+2 …

  21. IR OP 微地址 形成部件 标志 CLK 下地址 CMDR 控制存储器 微指令基本格式 操作控制 顺序控制 2. 微程序控制单元的基本框图 至CPU 内部和 系统总 线的控 制信号 顺序逻辑 CMAR 地址译码

  22. M M+1 取指周期 微程序 M+2 间址周期 微程序 中断周期 微程序 P P+1 对应LDA 操作的微程序 P+2 K K+1 对应 STA操作的微程序 K+2 … 二、微程序控制单元框图及工作原理 M+1 M+2 … 转执行周期微程序 … 转取指周期微程序 P+1 P+2 M K+1 K+2 M

  23. 控存 M M+1 取指周期 微程序 M+1 M+2 主存 M+2 … P+1 P P+2 P+1 对应LDA 操 作的微程序 P+2 M LDA X 用户程序 … ADD Y Q+1 Q STA Z 对应 ADD操 作的微程序 Q+2 Q+1 STP M Q+2 … K+1 K 对应 STA操 作的微程序 K+2 K+1 M K+2 … 3. 工作原理

  24. 控制信号 …… 下地址 操作控制 三、微指令的编码方式（控制方式） 1. 直接编码（直接控制）方式 在微指令的操作控制字段中 每一位代表一个微操作命令 速度最快 某位为 “1” 表示该控制信号有效

  25. 控制信号 … … … 译码 译码 译码 下地址 操作控制 2. 字段直接编码方式 将微指令的控制字段分成若干 “段” 每段经译码后发出控制信号 微程序执行速度较慢 每个字段中的命令是 互斥的 缩短 了微指令 字长，增加了译码 时间

  26. 控制信号 控制信号 … … … … … 译码 译码 译码 … 字段 1 字段 2 字段 n 下地址 操作控制 3. 字段间接编码方式 4. 混合编码 直接编码和字段编码（直接和间接）混合使用 5. 其他

  27. ( CMAR ) + 1 CMAR 操作控制字段 转移方式 转移地址 四、微指令序列地址的形成 1. 微指令的 下地址字段指出 2. 根据机器指令的 操作码形成 3. 增量计数器 4. 分支转移 转移方式 指明判别条件 转移地址 指明转移成功后的去向

  28. 微指令地址 非测试地址 h 测试地址 l 测试网络 测试源 … … CMDR H L 操作控制 顺序控制 5. 通过测试网络 6. 由硬件产生微程序入口地址 第一条微指令地址 由专门 硬件产生 中断周期 由 硬件产生 中断周期微程序首地址

  29. IR OP 微地址 形成部件 标志 多路选择 … 控制信号 分支 逻辑 … CMDR 转移方式 下地址 CMAR 地址译码 控制存储器 7. 后继微指令地址形成方式原理图 微程序入口 地址 选择 + 1

  30. 五、微指令格式 1. 水平型微指令 一次能定义并执行多个并行操作 如 直接编码、字段直接编码、字段间接编码、 直接和字段混合编码 2. 垂直型微指令 类似机器指令操作码的方式 由微操作码字段规定微指令的功能

  31. 3. 两种微指令格式的比较 (1) 水平型微指令比垂直型微指令 并行操作能力强 灵活性强 (2)水平型微指令执行一条机器指令所要的 微指令 数目少，速度快 (3)水平型微指令 用较短的微程序结构换取较长的 微指令结构 (4)水平型微指令与机器指令 差别大

  32. 六、静态微程序设计和动态微程序设计 静态 微程序无需改变，采用 ROM 动态 通过 改变微指令和 微程序改变机器指令 有利于仿真，采用EPROM 七、毫微程序设计 1. 毫微程序设计的基本概念 微程序设计用 微程序解释机器指令 毫微程序设计用 毫微程序解释微程序 毫微指令与微指令的关系好比 微指令与机器指令的关系

  33. IR OP 控制信号 … + 1 转移地址 CMDR2 CMAR1 水平型微指令 控制存储器 （微程序） 控制存储器 （毫微程序） 垂直型 微指令 CMDR1 MOP CMAR2 2、毫微程序控制存储器的基本组成

  34. 取第i条微指令 执行第i条微指令 取第 i+1条微指令 取第i条微指令 执行第i条微指令 取第 i+1条微指令 执行第 i+1条微指令 执行第 i+1条微指令 取第 i+2条微指令 执行第 i+2条微指令 八、串行微程序控制和并行微程序控制 串行微程序控制 并行微程序控制

  35. 1 R PC MAR M ( MAR ) MDR ( PC ) + 1 PC MDR IR OP ( IR ) 微地址形成部件 若一个 T 内安排一条微指令 Ad ( CMDR ) CMAR 则取指操作需 3 条微指令 OP ( IR ) 微地址形成部件 CMAR 九、微程序设计举例 1. 写出对应机器指令的微操作及节拍安排 假设 CPU结构与组合逻辑相同 (1) 取指阶段微操作分析 3 条微指令 T0 T1 T2 还需考虑 如何读出 这 3 条微指令 ?

  36. PC MAR 1 R Ad ( CMDR ) CMAR M ( MAR ) MDR ( PC )+1 PC Ad ( CMDR ) CMAR MDR IR OP ( IR ) 微地址形成部件 OP ( IR ) CMAR (2) 取指阶段的微操作及节拍安排 考虑到需要 形成后继微指令的地址 T0 T1 T2 T3 T4 T5

  37. 0 AC Ad ( CMDR ) CMAR Ad ( CMDR ) CMAR AC AC (3) 执行阶段的微操作及节拍安排 考虑到需形成后继微指令的地址 取指微程序的入口地址 M 由微指令下地址字段指出 • 非访存指令 ① CLA 指令 T0 T1 ② COM 指令 T0 T1

  38. R ( AC ) L ( AC ) L ( AC ) R ( AC ) AC0 AC0 0 G AC0 ACn Ad ( CMDR ) CMAR Ad ( CMDR ) CMAR Ad ( CMDR ) CMAR ③ SHR 指令 T0 T1 ④ CSL 指令 T0 T1 ⑤ STP 指令 T0 T1

  39. Ad ( IR ) MAR 1 R Ad ( CMDR ) CMAR M ( MAR ) MDR Ad ( CMDR ) CMAR ( AC ) + ( MDR ) AC Ad ( CMDR ) CMAR 1 W Ad (IR) MAR AC MDR Ad ( CMDR ) CMAR MDR M(MAR) Ad ( CMDR ) CMAR Ad ( CMDR ) CMAR • 访存指令 ⑥ ADD 指令 T0 T1 T2 T3 T4 T5 ⑦ STA 指令 T0 T1 T2 T3 T4 T5

  40. Ad ( IR ) MAR 1 R MDR AC Ad ( CMDR ) CMAR M ( MAR ) MDR Ad ( CMDR ) CMAR Ad ( CMDR ) CMAR ⑧ LDA 指令 T0 T1 T2 T3 T4 T5

  41. Ad ( IR) PC Ad ( CMDR ) CMAR A0• Ad ( IR ) + A0 • ( PC ) PC Ad ( CMDR ) CMAR • 转移类指令 ⑨ JMP 指令 T0 T1 ⑩ BAN 指令 T0 T1 全部微操作 20个 微指令 38条

  42. 2. 确定微指令格式 (1) 微指令的编码方式 采用直接控制 (2) 后继微指令的地址形成方式 由机器指令的操作码通过微地址形成部件形成 由微指令的下地址字段直接给出 (3) 微指令字长 由 20 个微操作 确定 操作控制字段 最少 20 位 由 38 条微指令 确定微指令的 下地址字段为 6 位 微指令字长可取 20 ＋ 6 ＝ 26 位

  43. 38 条微指令中有 19 条 是关于后继微指令地址 CMAR OP ( IR ) CMAR Ad ( CMDR ) CMAR OP ( IR ) 微地址形成部件 控存地址线 (4) 微指令字长的确定 1 条 其中 18 条 若用 Ad ( CMDR ) 直接送控存地址线 则 省去了打入 CMAR 的时间，省去了 CMAR 同理 可省去 19 条微指令，2 个微操作 20 － 2 ＝ 18 操作控制字段最少取 18 位 38 － 19 ＝ 19 下地址字段最少取 5 位

  44. IR OP 微地址 形成部件 控制信号 多路选择 … 下地址 CMDR 控制存储器 24位 6位 … … 0 1 2 23 24 29 (5) 省去了 CMAR 的控制存储器 取操作控制字段 18位 考虑留有一定的余量 共30位 下地址字段 5位 (6) 定义微指令操作控制字段每一位的微操作

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